專利名稱：氧氣傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氧氣傳感器，尤其涉及一種電解型氧氣傳感器。
技術(shù)背景電化學(xué)氧氣傳感器是一種目前廣泛用來監(jiān)測(cè)氧氣的傳感器。發(fā)明名稱為"GAS SENSOR"的美國(guó)發(fā)明專利US 4，132，616和US 4,324,632描述了一種原 電池型的氧氣傳感器。工作中，氧氣通過一毛細(xì)孔擴(kuò)散到工作電極，與那里的 水和電子結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)，形成氫氧根離子。氫氧根離子通過電解質(zhì)流到 對(duì)電極，與鉛電極反應(yīng)，形成氧化鉛、水和電子。氫氧根離子在工作電極和對(duì) 電極之間的移動(dòng)形成電流，該電流與氧氣的百分比濃度成正比。由此，通過測(cè) 量電流可以得知氧氣濃度。發(fā)明名稱為"SOLID POLYMER ELECTROLYTE OXYGEN SENSOR"的 美國(guó)專利申請(qǐng)US 2005/0034987描述了一種電解型氧氣傳感器，其關(guān)鍵部件是 電解質(zhì)/電極組件，具體包括固體電解質(zhì)、工作電極、對(duì)電極和參比電極。其中， 工作電極安裝在固體電解質(zhì)的一側(cè)，對(duì)電極和參比電極安裝在固體電解質(zhì)的另 一側(cè)。工作中，氧氣通過一毛細(xì)孔擴(kuò)散到工作電極，與那里的氫離子和電子結(jié) 合，發(fā)生還原反應(yīng)，形成水分子。水分子通過固體電解質(zhì)滲透到其另一側(cè)。另 一方面，在對(duì)電極處，水分子被電解，形成氧氣、氫離子和電子。在所形成的 氧氣、氫離子和電子中，氧氣從一出氣孔排出，氫離子通過固體電解質(zhì)遷移到 工作電極，而電子則通過一外電路從對(duì)電極達(dá)到工作電極。遷移到工作電極的 氫離子和來自對(duì)電極的電子用于補(bǔ)償前述還原反應(yīng)所消耗的氫離子和電子，并 且形成還原電流。還原電流與氧氣的百分比濃度成正比。發(fā)明名稱為"固體聚合物電解質(zhì)毛細(xì)管型氧傳感器"、專利號(hào)為 ZL94107055.7的中國(guó)發(fā)明專利也描述了一種電解型氧氣傳感器，還描述了一種 用碾壓法將防水透氣擴(kuò)散電極固定在固體聚合物電解質(zhì)上的制備方法。上述專利或?qū)＠暾?qǐng)的內(nèi)容通過引用包含在此。
圖1是一結(jié)構(gòu)示意圖，例示了一種現(xiàn)有技術(shù)的電解型氧氣傳感器。如圖1所示，氧氣傳感器IOO包括固體電解質(zhì)膜110。固體電解質(zhì)膜110的一側(cè)載有 工作電極112，另一側(cè)載有對(duì)電極114和可選的參比電極116。通常，將工作 電極112設(shè)計(jì)為陰極，對(duì)電極114設(shè)計(jì)為陽極，并且在工作電極和參比電極之 間施加一負(fù)偏壓，即將工作電極的電位設(shè)置成低于參比電極的電位。外殼120 包括殼體122和殼蓋124。如圖1所示，殼體122和殼蓋124以螺紋結(jié)構(gòu)連接， 將固體電解質(zhì)膜110以及電極112、 114和116封裝在內(nèi)。在傳感器100中，殼蓋124與防塵膜126和限流器130—起構(gòu)成一入口組 件。其中，防塵膜126位于殼蓋124上，可以由諸如聚丙烯或聚酯等材料制成， 用于防止灰塵和其它顆粒污染物進(jìn)入傳感器100，保護(hù)固體電解質(zhì)膜110和工 作電極112不受污染。殼蓋124位于限流器130上并具有一氣孔128，氣孔128 允許氧氣從中通過。限流器130具有一擴(kuò)散毛細(xì)孔132，毛細(xì)孔132與殼蓋124 上的氣孔128連通。毛細(xì)孔132的孔面積和長(zhǎng)度可以控制氧氣到達(dá)工作電極112 的擴(kuò)散速率，而氧氣的擴(kuò)散速率會(huì)進(jìn)一步影響氧氣在工作電極112處的還原反 應(yīng)速率、物質(zhì)的傳遞以及電流的測(cè)量結(jié)果。傳感器100的關(guān)鍵部件是電解質(zhì)/電極組件，它包括固體電解質(zhì)膜110以及 電極112、 114和116。許多因素，諸如固體電解質(zhì)膜IIO的成份和處理方式， 電極112、 114和116與固體電解質(zhì)膜IIO之間的固定工藝以及電極112、 114 和116的布置等等，都會(huì)影響電解質(zhì)/電極組件的性能。例如，固體電解質(zhì)膜 IIO可以由Nafion制成。電極112、 114和116可以通過熱壓法固定到固體電 解質(zhì)膜IIO上。另外，電極112、 114和116通過傳感器110內(nèi)部的白金絲(未 圖示)分別與三個(gè)引腳162、 164和166相連。白金絲可以通過接觸方式連接 到三個(gè)電極112、 114和116上，以及用傳統(tǒng)技術(shù)焊接到三個(gè)引腳162、 164和 166上。引腳162、 164和166連接外部測(cè)量電子設(shè)備，為其提供電流輸出和偏 置輸入。傳感器100還包括第一和第二氧氣可滲透/防水膜142、玻璃微纖維紙144、 儲(chǔ)液槽150。其中，第一氧氣可滲透/防水膜142位于出氣孔154的一端，用于 防止水份從所述電解質(zhì)/電極組件內(nèi)部進(jìn)入所述出氣孔；玻璃微纖維紙144位于 對(duì)電極114和儲(chǔ)液槽150之間，玻璃微纖維紙144經(jīng)過硫酸處理，可以幫助調(diào) 節(jié)工作室140中的濕度；第二氧氣可滲透/防水膜142位于毛細(xì)孔132和工作室 140之間，用于防止水或其他物質(zhì)從工作室140內(nèi)部進(jìn)入毛細(xì)孔132,將毛細(xì) 孔132阻塞。第一和第二氧氣可滲透/防水膜可以由Teflon或其他合適的材料制 成。儲(chǔ)液槽150位于殼體122內(nèi)，并包含保濕材料152。保濕材料152可以釋 放水分，使電解質(zhì)膜110保持充分的浸潤(rùn)。保濕材料152可以是用硫酸滲透過 的硅膠、聚合物或玻璃纖維紙等。在固體電解質(zhì)膜110的上方和/或下方，還可以設(shè)置環(huán)形墊圈146，用于防 止隨空氣通過出氣孔154而進(jìn)入的氧氣以及電解反應(yīng)所產(chǎn)生的氧氣進(jìn)入工作室 140。在工作中，氧氣通過毛細(xì)孔132擴(kuò)散至工作電極112。在工作電極112處， 氧氣與電子和氫離子結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)，形成水分子。還原反應(yīng)如下式(1) 所示。02 + 4H++4e'— 2H20 (1) 所形成的水分子滲入固體電解質(zhì)膜110。在對(duì)電極114處，水分子被電解，產(chǎn)生氫離子和電子。電解過程如下式(2) 所示。2H20 — 4H++02 + 4e- (2)由于將工作電極112設(shè)置為陰極，將對(duì)電極114設(shè)置為陽極，所以電解產(chǎn) 生的氫離子通過固體電解質(zhì)膜110擴(kuò)散遷移到工作電極112，而電子則通過一 外電路達(dá)到工作電極112。可選地，利用一恒電位電路在工作電極112和參比 電極U6之間施加一負(fù)偏壓，為工作電極112提供一個(gè)負(fù)電位。在此電位下，氧 氣捕獲外電路的電子，并與來自固體電解質(zhì)膜110的氫離子結(jié)合，發(fā)生如反應(yīng) 式(1)所示的還原反應(yīng)，同時(shí)形成還原電流。由于還原電流依賴于氧氣的消 耗速率，所以通過測(cè)量還原電流可以確定工作電極112處的氧氣百分比濃度。另外，在對(duì)電極114處電解產(chǎn)生的氧氣通過出氣孔154擴(kuò)散到傳感器110 之外。由于反應(yīng)式(1)和(2)是平衡的，因此傳感器100中的反應(yīng)是將對(duì)電極 處的水轉(zhuǎn)換為工作電極112處的水，將工作電極112處的氧氣轉(zhuǎn)換為對(duì)電極114 處的氧氣。因此，這種氧氣傳感器又被稱為是"氧泵"。另外，電子在對(duì)電極 114處釋放，在工作電極112處捕獲。氫離子從對(duì)電極114通過固體電解質(zhì)膜 110遷移到工作電極112。在電解型氧氣傳感器中，傳感器100的測(cè)量信號(hào)與從毛細(xì)孔132擴(kuò)散到工 作電極U2的氧氣百分比濃度成正比。因此，為了保證傳感器的測(cè)量精度，要
求氧氣只從毛細(xì)孔132進(jìn)入。但是，由圖l的結(jié)構(gòu)可知，氧氣還可能通過限流 器130與殼蓋124、殼體122和第二氧氣可滲透/防水膜142之間的縫隙進(jìn)入工 作室140。另外，隨空氣通過出氣孔154而進(jìn)入的氧氣以及電解反應(yīng)所產(chǎn)生的 氧氣也可能進(jìn)入工作室140。這些從不合適的途徑到達(dá)工作電極122的氧氣會(huì) 使傳感器100的測(cè)量信號(hào)增大，產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了提高氧氣傳感器的密封性，現(xiàn)有技術(shù)將殼體122和殼蓋124設(shè)計(jì)成螺 紋結(jié)構(gòu)，并在固體電解質(zhì)膜110的上方和/或下方設(shè)置了環(huán)形墊圈146。這種螺 紋密封結(jié)構(gòu)是將旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)化為壓力，減少了各橫向界面之間的縫隙。但是，上述螺紋密封結(jié)構(gòu)使得氧氣傳感器具有較大的尺寸。電解型氧氣傳 感器的常規(guī)尺寸是直徑約20.0mm，高度約17.0mm。但是，隨著工業(yè)應(yīng)用的發(fā) 展，市場(chǎng)上越來越需要小型化的、攜帶方便的氧氣傳感器。眾所周知，固體電 解質(zhì)的電導(dǎo)率與其水含量有關(guān)。當(dāng)水含量下降時(shí)，固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率也下降。 水含量不足會(huì)導(dǎo)致傳感器失效。因此，在設(shè)計(jì)電解型氧氣傳感器時(shí)，必須為儲(chǔ) 液槽150保留一定的空間，以容納足夠量的保濕材料。在采用上述螺紋密封結(jié) 構(gòu)的直徑為20.0mm、高度為17.0mm的氧氣傳感器中，儲(chǔ)液榷150中保濕材料 152的量可以滿足固體電解質(zhì)的使用需要。但是，當(dāng)需要制作更小尺寸的電解 型氧氣傳感器時(shí)，同比例縮小氧氣傳感器會(huì)大大縮小儲(chǔ)液槽的體積，造成保濕 材料不足，影響傳感器的性能。另外，在將殼蓋124旋蓋到殼體122上時(shí)，扭轉(zhuǎn)和擠壓作用很容易使連接 在電極112、 114和116與引腳162、 164和166之間的導(dǎo)電白金絲折斷。同時(shí)， 環(huán)形墊圈146也會(huì)在扭轉(zhuǎn)作用下發(fā)生移位，增大了密封難度。再有，目前商品化的電解型氧氣傳感器都是將帶毛細(xì)孔的塑料板用作限流 器130，控制氧氣向工作電極的擴(kuò)散速度，希望由此限制用于表征氧氣濃度的 測(cè)量電流的大小，將氧氣傳感器的電流輸出約束在一合適的范圍內(nèi)。但是，當(dāng) 采用鉆孔和激光打孔等工藝對(duì)塑料板進(jìn)行加工時(shí)，毛細(xì)孔的孔徑公差將達(dá)到 土0.01mm。這種毛細(xì)孔孔徑的不一致會(huì)導(dǎo)致不同的傳感器產(chǎn)品對(duì)相同濃度的氣 體產(chǎn)生不同的信號(hào)輸出，造成傳感器的信號(hào)輸出范圍很大，從而在一定程度上 影響傳感器產(chǎn)品的一致性。另外，目前市場(chǎng)上的電解型氧氣傳感器大多使用杜邦公司生產(chǎn)的Nafion 膜作為傳感器中的固體電解質(zhì)。但是，這種膜在吸水時(shí)會(huì)膨脹，線膨脹率可達(dá) 10% — 15%。因此，膜的壽命較短。同時(shí)，電解質(zhì)膜的膨脹還會(huì)導(dǎo)致固定在其 兩側(cè)的電極也發(fā)生變形，從而影響電極反應(yīng)的穩(wěn)定性乃至于傳感器測(cè)量的穩(wěn)定性。另外，Nafion膜是各向異性的，它在各個(gè)方向上的膨脹率不同，這種各向 異性的膨脹會(huì)導(dǎo)致其兩側(cè)電極在各個(gè)方向的變形也不同，從而影響電極的使用 壽命。另一方面，采用Nafion膜的氧氣傳感器在干燥的環(huán)境中使用時(shí)，Nafion 膜很容易失水。由于電解質(zhì)膜的電導(dǎo)率對(duì)水含量的依賴性很強(qiáng)，所以Nafion膜 的失水會(huì)致使其電導(dǎo)率下降，從而使傳感器的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。最終，傳感器因 信號(hào)降低而失效。因此，希望提供一種新型的氧氣傳感器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠?yàn)檠鯕鈧鞲衅?提供良好的密封性。還希望提供一種新型的電解型氧氣傳感器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠保證氧 氣傳感器在小尺寸的情況下仍能有效工作，而且在裝配過程中不會(huì)影響其密封 性。另外，還希望提供一種成品一致性較好的氧氣傳感器。 另外，還希望提供一種測(cè)量穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)并且具有良好抗干性能 的電解型氧氣傳感器。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的一個(gè)目的是，提供一種密封性好的氧氣傳感器。 本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是，提供一種小型化且密封性好的電解型氧氣傳 感器。本實(shí)用新型的又一個(gè)目的是，提供一種成品一致性較好的氧氣傳感器。 本實(shí)用新型的再一個(gè)目的是，提供一種測(cè)量穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)且具有良好抗干性能的電解型氧氣傳感器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，依照本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種氧氣傳感器，它包括入口組件，它包括帶有一毛細(xì)孔的限流器，所述毛細(xì)孔允許氧氣從中通過; 電解質(zhì)/電極組件，它包括電解質(zhì)以及與所述電解質(zhì)接觸的至少一個(gè)工作電 極和至少一個(gè)對(duì)電極；殼體，用于容納所述入口組件和所述電解質(zhì)/電極組件；其中，所述限流器具有至少一個(gè)插入部分，并且所述殼體在其內(nèi)表面上具 有至少一個(gè)凹入部分，用于容納所述限流器的所述至少一個(gè)插入部分，并且所 述至少一個(gè)凹入部分的形狀基本上與所述至少一個(gè)插入部分的形狀相匹配。本實(shí)用新型的氧氣傳感器還可以包括防塵膜，它直接位于所述限流器上， 用于防止灰塵進(jìn)入所述氧氣傳感器。在本實(shí)用新型的氧氣傳感器中，所述限流器的所述至少一個(gè)插入部分可以 是位于所述限流器側(cè)表面上的至少一個(gè)突起。所述至少一個(gè)突起可以包括至少 兩個(gè)分立的突起，它們軸對(duì)稱地分布在所述限流器的側(cè)表面上。較佳地，所述 至少兩個(gè)分立的突起可以包括6個(gè)突起，它們兩兩軸對(duì)稱地分布在所述限流器 的側(cè)表面上。在本實(shí)用新型的氧氣傳感器中，所述至少一個(gè)突起還可以是圍繞所述限流 器之側(cè)表面的一個(gè)回形體，所述至少一個(gè)凹入部分是圍繞所述殼體之內(nèi)表面的 一個(gè)回形體。在本實(shí)用新型的氧氣傳感器中，所述至少一個(gè)插入部分可以在其面向所述 電解質(zhì)/電極組件的末端具有一倒角。在本實(shí)用新型的氧氣傳感器中，所述限流器可以包括一毛細(xì)管，所述毛細(xì) 管位于所述限流器的毛細(xì)孔中，并由氧化鋯材料制成。較佳地，所述氧化鋯毛細(xì)管內(nèi)直徑的公差為土0.001mm 。更佳地，所述毛細(xì)管的內(nèi)直徑在 0.125土0.001mm的范圍內(nèi)。本實(shí)用新型的氧氣傳感器還可以包括粘結(jié)劑，它被至少施加在所述限流器 的上表面上，用于密封所述毛細(xì)管與所述限流器之毛細(xì)孔之間的縫隙。在本實(shí)用新型的氧氣傳感器中，所述電解質(zhì)可以是GEFC—10N全氟質(zhì)子 交換膜，并且所述工作電極位于所述GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜的一側(cè)，所 述對(duì)電極位于GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜的另一側(cè)。較佳地，所述GEFC — 10N全氟質(zhì)子交換膜是GEFC— 105全氟質(zhì)子交換膜。本實(shí)用新型的氧氣傳感器還可以包括儲(chǔ)液槽，所述儲(chǔ)液槽位于所述GEFC 一10N全氟質(zhì)子交換膜的所述另一側(cè)，并包含釋放水份的保濕材料。進(jìn)一步， 還可以包括環(huán)形墊圈，位于所述GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜兩側(cè)中的至少 一側(cè)，用于防止氧氣通過所述GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜泄漏。再進(jìn)一步， 還可以包括第一氧氣可滲透/防水膜，它位于一出氣孔靠近所述電解質(zhì)/電極 組件的一端，對(duì)氧氣可滲透，并用于防止水份從所述電解質(zhì)/電極組件內(nèi)部進(jìn)入 所述出氣孔；玻璃微纖維紙，它位于所述儲(chǔ)液槽和所述電解質(zhì)/電極組件之間，
用于幫助調(diào)節(jié)所述電解質(zhì)/電極組件中的濕度；和第二氧氣可滲透/防水膜，它 位于所述毛細(xì)管靠近所述電解質(zhì)/電極組件的一端，對(duì)氧氣可滲透，并用于防止 水份從電解質(zhì)/電極組件內(nèi)部進(jìn)入所述毛細(xì)管。在本實(shí)用新型的氧氣傳感器的結(jié)構(gòu)中，省略了殼蓋并且在限流器和殼體之 間設(shè)計(jì)了一卡口結(jié)構(gòu)。殼蓋的省略降低了氧氣傳感器的高度，同時(shí)也縮小了氧 氣傳感器的橫向?qū)挾?。這樣，當(dāng)需要制作小尺寸的電解型氧氣傳感器時(shí)，仍能 為儲(chǔ)液槽提供一較大的空間，容納足夠的保濕材料，以滿足固體電解質(zhì)的使用 需要。同時(shí)，在限流器和殼體之間設(shè)計(jì)一卡口結(jié)構(gòu)可以保證氧氣傳感器的密封 性，防止氧氣從不合適的途徑達(dá)到工作電極。新設(shè)計(jì)的卡口結(jié)構(gòu)使得導(dǎo)電白金 絲在傳感器裝配過程中不易折斷，也不會(huì)使環(huán)形墊圈移位。另外，本實(shí)用新型利用氧化鋯毛細(xì)管對(duì)氧氣擴(kuò)散進(jìn)行控制。由于氧化鋯毛細(xì)管的孔徑公差可以達(dá)到土0.001mm，所以提高了氧氣傳感器的成品一致性。另外，本實(shí)用新型使用GEFC-10N全氟質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)膜。這種膜 各向同性并且線膨脹率可達(dá)4%，所以提高了氧氣傳感器的測(cè)量穩(wěn)定性和使用 壽命。另外，采用GEFC-10N全氟質(zhì)子交換膜的氧氣傳感器在干燥的環(huán)境下仍 表現(xiàn)出良好的抗干性，抗干性能比傳統(tǒng)的Nafion膜提高一倍。


圖l是一結(jié)構(gòu)示意圖，示出了一種現(xiàn)有技術(shù)的電解型氧氣傳感器； 圖2是一正視圖，例示了本實(shí)用新型一實(shí)施例的電解型氧氣傳感器的結(jié)構(gòu)； 圖3a是一俯視圖，例示了本實(shí)用新型一實(shí)施例的限流器； 圖3b是一俯視圖，例示了本實(shí)用新型另一實(shí)施例的限流器； 圖4是一示意圖，例示了用于制作本實(shí)用新型的限流器的模具。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。附圖中，相同的部件將 用相同的附圖標(biāo)記來表示。圖2例示了本實(shí)用新型一實(shí)施例的固體電解質(zhì)氧氣傳感器200。氧氣傳感 器200包括入口組件、電解質(zhì)/電極組件、第一和第二氧氣可滲透/防水膜、玻 璃微纖維紙和儲(chǔ)液槽，其中電解質(zhì)/電極組件、第一和第二氧氣可滲透/防水膜、 玻璃微纖維紙、和儲(chǔ)液槽的結(jié)構(gòu)與圖l所示的基本相同，這里不再重復(fù)。但是，
本實(shí)用新型入口組件的結(jié)構(gòu)以及殼體的結(jié)構(gòu)與圖1所示不同。在本實(shí)用新型的固體電解質(zhì)氧氣傳感器中，外殼220包括殼體222，但不 再包括殼蓋。入口組件包括防塵膜126和限流器230，其中防塵膜126直接位 于限流器230上，用于防止灰塵和其它顆粒污染物進(jìn)入傳感器200，保護(hù)固體 電解質(zhì)膜IIO和工作電極112不受污染。防塵膜126可以由諸如聚丙烯或聚酯 等材料制成。限流器230在其側(cè)表面上具有至少一個(gè)插入部分270。相應(yīng)地， 在殼體222的內(nèi)表面上至少具有一個(gè)凹入部分，允許插入部分270插入其中。 為了保證密封性，凹入部分的形狀最好基本上與插入部分的形狀相匹配。插入 部分270可以是兩個(gè)或更多個(gè)分立的突起，也可以是圍繞限流器230之側(cè)表面 構(gòu)成的一個(gè)回形體。圖3a是一俯視圖，示出了一例限流器230具有6個(gè)分立突 起。這6個(gè)突起兩兩軸對(duì)稱地分布在限流器230的側(cè)表面上。圖3b示出了另 一例限流器230，突起270圍繞限流器230的側(cè)表面構(gòu)成一個(gè)回形體。在另一 實(shí)施例中，不設(shè)置突起270，而是將限流器230的整體橫向?qū)挾菵l設(shè)置成大于 殼體222之內(nèi)表面的寬度D2，同時(shí)使殼體222之凹入部分的凹入深度基本上等 于(Dl—D2) /2。在裝配過程中，可以利用限流器230和殼體222的材料的彈 性將限流器230的插入部分270卡入殼體222的凹入部分中。為了方便裝配， 在一實(shí)施例中，將插入部分270面向工作電極112的一端制成倒角。同時(shí)，將 殼體222的凹入部分制成對(duì)應(yīng)的形狀。在本實(shí)用新型的上述氧氣傳感器的結(jié)構(gòu)中，省略了殼蓋，并且在限流器230 和殼體222之間設(shè)計(jì)了一卡口結(jié)構(gòu)。殼蓋的省略降低了氧氣傳感器的高度，同 時(shí)也縮小了氧氣傳感器的橫向?qū)挾?。利用如此結(jié)構(gòu)制作常規(guī)尺寸的氧氣傳感 器，例如直徑為20.0mm、高度為17.0mm的氧氣傳感器，其儲(chǔ)液槽150的體積 可以達(dá)到400)li1。而按現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)制作的相同尺寸的氧氣傳感器，其儲(chǔ)液槽 150的體積只有100^1?？梢?，本實(shí)用新型氧氣傳感器的結(jié)構(gòu)增加了儲(chǔ)液槽150 在傳感器中占據(jù)的空間比例。因此，當(dāng)需要制作小尺寸的固體電解質(zhì)氧氣傳感 器時(shí)，仍能為儲(chǔ)液槽提供一較大的空間，以容納足夠的保濕材料。同時(shí)，在限 流器230和殼體222之間設(shè)計(jì)一卡口結(jié)構(gòu)不僅可以保證氧氣傳感器200的密封 性，還可以降低導(dǎo)電白金絲在氧氣傳感器裝配過程中折斷的幾率，環(huán)形墊圈146 也不會(huì)發(fā)生移位。如前所述，毛細(xì)孔132的孔面積和孔長(zhǎng)度會(huì)影響氧氣到達(dá)工作電極112的 速度，從而進(jìn)一步影響用于表征氧氣濃度的電流。傳感器輸出信號(hào)的大小與毛
細(xì)孔的孔面積和孔長(zhǎng)度相關(guān)。具體地說，輸出電流I與孔面積成正比，與孔長(zhǎng)度成反比，即IocTcr2/1，其中r是毛細(xì)管的孔半徑，l是毛細(xì)管的孔長(zhǎng)度。為了減 小毛細(xì)孔孔面積的變化，本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例在限流器230中放置了一個(gè) 氧化鋯陶瓷毛細(xì)管232。氧化鋯毛細(xì)管232的尺寸可以按需要到市場(chǎng)上購(gòu)買。在一實(shí)施例中，使用 孔直徑在0.125土0.001mm范圍內(nèi)的氧化鋯毛細(xì)管。由于其孔徑公差比塑料毛細(xì) 孔的孔徑公差提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此制成的固體電解質(zhì)氧氣傳感器具有較好 的成品一致性。在制造本實(shí)用新型的固體電解質(zhì)氧氣傳感器的過程中，先將第一氧氣可滲 透/防水膜、玻璃微纖維紙和電解質(zhì)/電極組件安裝到至少具有一個(gè)凹入部分的 殼體222中。然后，提供一個(gè)帶有毛細(xì)管232的限流器230，該限流器具有至 少一個(gè)插入部分270，插入部分的形狀與殼體中凹入部分的形狀基本上相匹配。 接著，將限流器的插入部分插入到殼體的凹入部分中。最后，在限流器的上面 直接放置一防塵膜126。較佳地，可以在限流器插入部分的一個(gè)末端提供一倒 角272，以便將限流器230安裝到殼體222中。圖4是一示意圖，例示了一種用于制作本實(shí)用新型限流器230的模具400。 模具400包括一個(gè)主體410和一個(gè)蓋子420。主體410和蓋子420可以由鋁合 金制成。主體410的中間是空的，可以容納一帶毛細(xì)孔132的ABS塑料板230。 蓋子220在其下表面至少具有一個(gè)突起460。突起460可以是沿周邊設(shè)置的一 個(gè)回形體，也可以是兩個(gè)或更多個(gè)分立的突起。當(dāng)蓋子420放在主體410上時(shí)， 突起460可以防止蓋子420相對(duì)主體410移動(dòng)。蓋子420的中心還具有一小孔 450，小孔450的內(nèi)直徑大致等于將要插入塑料板230中的氧化鋯毛細(xì)管232 的外直徑。在制作過程中，先將帶有一毛細(xì)孔132的ABS塑料板230放入主體 410中。由于主體410的內(nèi)直徑設(shè)計(jì)成與ABS塑料板230最寬處的直徑基本吻 合，因此當(dāng)塑料板230置于主體410內(nèi)時(shí)，可以盡可能地減少塑料板230相對(duì) 主體410的移動(dòng)。塑料板230上的毛細(xì)孔132可以按傳統(tǒng)方式采用鉆孔和激光 打孔等工藝制成，其直徑可以設(shè)計(jì)成接近于氧化鋯毛細(xì)管232的外直徑，較佳 地是略小于氧化鋯毛細(xì)管232的外直徑。在一實(shí)施例中，毛細(xì)孔132的內(nèi)直徑 約為2.4mm，氧化鋯毛細(xì)管232的外直徑約為2.5mm。接著，將蓋子420蓋在 主體410上，并且使蓋子420上小孔450的中心對(duì)準(zhǔn)塑料板230中毛細(xì)孔132 的軸線。然后，用一夾具夾住氧化鋯毛細(xì)管232，使其軸線與塑料板230中毛 細(xì)孔132的軸線對(duì)準(zhǔn)，并借助外力沿軸線將氧化鋯毛細(xì)管232壓入塑料板230 的毛細(xì)孔132內(nèi)。當(dāng)氧化鋯毛細(xì)管232的外直徑略大于毛細(xì)孔132的內(nèi)直徑時(shí)， 可以將氧化鋯毛細(xì)管232的端部470制成截錐形，以方便插入毛細(xì)孔132中。 為了防止氧氣從氧化鋯毛細(xì)管232與毛細(xì)孔132之間的縫隙進(jìn)入工作室140， 可以在塑料板230的上表面，毛細(xì)孔132的周圍施加粘結(jié)劑，例如環(huán)氧膠。在本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例中，采用GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜作為 固體電解質(zhì)膜IIO。較佳地，使用GEFC-105全氟質(zhì)子交換膜。在電解質(zhì)/電極 組件中，工作電極和對(duì)電極通過熱壓法或印刷法固定到GEFC—10N全氟質(zhì)子 交換膜上。GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜是北京金能燃料電池有限公司GEFC 生產(chǎn)的一系列運(yùn)用在燃料電池中的薄膜。這種薄膜各向同性，并且線膨脹率低。 例如，在室溫下，經(jīng)過浸水處理，測(cè)得其線膨脹率約為4%。由于GEFC-10N 全氟質(zhì)子交換膜的線膨脹率只有4%，所以電極的變形量減小，提高了電極反 應(yīng)的穩(wěn)定性乃至于傳感器測(cè)量的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于這種膜各向同性，所以提 高了電解質(zhì)膜和電極的使用壽命。另外，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)這種膜在干燥的環(huán)境下 表現(xiàn)出良好的抗干性，抗干性能可以提高一倍。在一設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，分別將具 有GEFC—102膜、GEFC—105膜和Nafion膜的傳感器放入溫度為45度、相 對(duì)濕度為15% RH的烘箱中，做失水加速實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，具有GEFC — 102膜和GEFC—105膜的傳感器的失效時(shí)間是8天，具有Nafion膜的傳感器 的失效時(shí)間是4天。盡管以上描述了本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，但本實(shí)用新型不僅限于此。本 領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以在以上描述的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種變化和改變。不脫離發(fā) 明精神的各種改變和變化都應(yīng)落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。本實(shí)用新型的 保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求1.一種氧氣傳感器，它包括入口組件，它包括帶有一毛細(xì)孔的限流器(230)，所述毛細(xì)孔允許氧氣從中通過；電解質(zhì)/電極組件，它包括電解質(zhì)(110)以及與所述電解質(zhì)接觸的至少一個(gè)工作電極(112)和至少一個(gè)對(duì)電極(114)；和殼體(222)，用于容納所述入口組件和所述電解質(zhì)/電極組件；其特征在于，所述限流器具有至少一個(gè)插入部分(270)，并且所述殼體在其內(nèi)表面上具有至少一個(gè)凹入部分，用于容納所述限流器的所述至少一個(gè)插入部分，并且所述至少一個(gè)凹入部分的形狀基本上與所述至少一個(gè)插入部分的形狀相匹配。
2. 如權(quán)利要求l所述的氧氣傳感器，其特征在于，還包括防塵膜(126)， 它直接位于所述限流器上，用于防止灰塵進(jìn)入所述氧氣傳感器。
3. 如權(quán)利要求1所述的氧氣傳感器，其特征在于，所述限流器的所述至 少一個(gè)插入部分是位于所述限流器側(cè)表面上的至少一個(gè)突起。
4. 如權(quán)利要求3所述的氧氣傳感器，其特征在于，所述至少一個(gè)突起包 括至少兩個(gè)分立的突起，它們軸對(duì)稱地分布在所述限流器的側(cè)表面上。
5. 如權(quán)利要求4所述的氧氣傳感器，其特征在于，所述至少兩個(gè)分立的 突起包括6個(gè)突起，它們兩兩軸對(duì)稱地分布在所述限流器的側(cè)表面上。
6. 如權(quán)利要求3所述的氧氣傳感器，其特征在于，所述至少一個(gè)突起是 圍繞所述限流器之側(cè)表面的一個(gè)回形體，所述至少一個(gè)凹入部分是圍繞所述殼 體之內(nèi)表面的一個(gè)回形體。
7. 如權(quán)利要求4或6所述的氧氣傳感器，其特征在于，所述至少一個(gè)插入 部分在其面向所述電解質(zhì)/電極組件的末端具有一倒角(272)。
8. 如權(quán)利要求l、 4和6中任何一項(xiàng)所述的氧氣傳感器，其特征在于，所 述限流器包括一毛細(xì)管(232)，所述毛細(xì)管位于所述限流器的毛細(xì)孔中，并 由氧化鋯材料制成。
9. 如權(quán)利要求8所述的氧氣傳感器，其特征在于，所述氧化鋯毛細(xì)管內(nèi) 直徑的公差為土0.001mm。
10. 如權(quán)利要求9所述的氧氣傳感器，其特征在于，所述毛細(xì)管的內(nèi)直徑 在0.125士0.001mm的范圍內(nèi)。
11. 如權(quán)利要求8所述的氧氣傳感器，其特征在于，還包括粘結(jié)劑，它被 至少施加在所述限流器的上表面上，用于密封所述毛細(xì)管與所述限流器之毛細(xì) 孔之間的縫隙。
12. 如權(quán)利要求l、 4、 6和8中任何一項(xiàng)所述的氧氣傳感器，其特征在于， 所述電解質(zhì)是GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜，并且所述工作電極位于所述GEFC 一10N全氟質(zhì)子交換膜的一側(cè)，所述對(duì)電極位于GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜的另一側(cè)。
13. 如權(quán)利要求12所述的氧氣傳感器，其特征在于，所述GEFC—10N 全氟質(zhì)子交換膜是GEFC— 105全氟質(zhì)子交換膜。
14. 如權(quán)利要求12所述的氧氣傳感器，其特征在于，還包括 儲(chǔ)液槽(150)，所述儲(chǔ)液槽位于所述GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜的所述另一側(cè)，并包含釋放水份的保濕材料(152)。
15. 如權(quán)利要求14所述的氧氣傳感器，其特征在于，還包括 環(huán)形墊圈(146)，位于所述GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜兩側(cè)中的至少一側(cè)，用于防止氧氣通過所述GEFC—10N全氟質(zhì)子交換膜泄漏。
16.如權(quán)利要求15所述的固體電解質(zhì)氧氣傳感器，其特征在于，還包括第一氧氣可滲透/防水膜(142)，它位于一出氣孔(154)靠近所述電解質(zhì)/電極組件的一端，對(duì)氧氣可滲透，并用于防止水份從所述電解質(zhì)/電極組件內(nèi)部進(jìn)入所述出氣孔；玻璃微纖維紙(144)，它位于所述儲(chǔ)液槽和所述電解質(zhì)/電極組件之間，用 于幫助調(diào)節(jié)所述電解質(zhì)/電極組件中的濕度；和第二氧氣可滲透/防水膜(142)，它位于所述毛細(xì)管靠近所述電解質(zhì)/電極組件的一端，對(duì)氧氣可滲透，并用于防止水份從電解質(zhì)/電極組件內(nèi)部進(jìn)入所述 毛細(xì)管。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種氧氣傳感器，它包括限流器(230)；電解質(zhì)/電極組件(112，110，114)；和殼體(222)。其中，限流器具有插入部分(270)，它可以是位于限流器側(cè)表面上的至少一個(gè)突起，也可以是圍繞限流器之側(cè)表面的一個(gè)回形體。殼體在其內(nèi)表面上具有至少一個(gè)凹入部分，其形狀基本上與所述插入部分的形狀相匹配。限流器與殼體之間的卡口結(jié)構(gòu)允許提供小型化且密封性好的氧氣傳感器。限流器還可以在限流器的毛細(xì)孔中包括一根由氧化鋯材料制成的毛細(xì)管，這種結(jié)構(gòu)提高了氧氣傳感器的成品一致性。另外，電解質(zhì)可以是GEFC-10N全氟質(zhì)子交換膜，這種電解質(zhì)膜可以提高氧氣傳感器的測(cè)量穩(wěn)定性好、使用壽命以及抗干性能。
文檔編號(hào)G01N27/403GK201043962SQ20072006649
公開日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2007年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月19日
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